基于初中生物学科学探究的纸笔测试命题之思考

伯海英

（厦门市教育科学研究院，福建 厦门 361004）

科学探究是学生理解生物学概念、建立生命观念不可或缺的学习方式，科学探究素养是学生理解和应用生物学知识解决问题综合水平的重要体现，学生需亲历科学探究过程才能得以发展该素养。只有有效考查学生的科学探究能力，才能有利于教师研究和提升科学探究的“教”，促进学生发展科学探究能力的“学”。教育部《关于加强初中学业水平考试命题工作的意见》中，明确要求通过命题改革推动“教师积极探索基于情境、问题导向、深度思维、高度参与的教育教学模 式”［1］。纸笔测试如何更有效地评估学生科学探究能力，一直是中考命题研究的热点和难点。

一、科学探究纸笔测试题仍存在“机械倾向”

1.问题情境囿于学生熟悉的教材实验及其简单变形

以人教版为例，教材设计了丰富的科学探究活动，诸如探究非生物因素对生物的影响、种子萌发的条件、光合作用和呼吸作用系列实验、馒头在口腔中的消化作用等实验，是学生理解科学探究的重要载体。将这些实验及其简单变形编制在日常作业或者单元测试中，有利于巩固和加强学生对科学探究理解，但是仅囿于此是不够的，学生容易根据经验进行机械套用，无法真正检测和促进探究能力的发展。

2.“套路式”的设问或易于从题干中直接获取作答信息

例如，在题干中完整表述了研究目的，如“科研人员研究重金属汞对小麦种子发芽率的影响”，要求学生回答该实验研究的问题和变量，教师给出的答题套路是：①找到这句话，并且把句号改成问号，就是实验研究的问题，如“重金属汞对小麦种子发芽率有影响吗？”②探究问题的结构一般是“实验研究的变量对观测指标的影响”，按照这个“规律”找到变量。再比如，考查实验设计常设问“重复实验的目的”，要求回答“避免偶然性”；考查数据处理常设问“取平均值的目的”，要求回答“减少误差”，学生可背记答案答题。凡此种种机械考查视角，无法评估学生对科学探究的理解，对发展学生学科核心素养无益。实际上，一旦题目情境和设问略有创新，“套路”失效，学生便无所适从。

二、多角度优化科学探究纸笔测试有效性

高中生物学考查科学探究的试题中，大多需要关联生物学概念进行原理分析、结果预测、结果解释、结论应用等，偏向于在实验情境中考查与生物学概念相关的分析、解释、概括、推理、综合等科学思维。初中生物学中原理性知识比较浅显，科学探究类试题在关联概念解释、推理方面的考查显著弱于高中，相较而言，更偏于考查对科学探究本身的理解，例如设置对照实验、控制单一变量、设计重复实验、实验数据图表分析、结论表述等。为了提高考查有效性，亟待丰富情境选材、创设真实情境、多角度创新设问，突显生物学概念原理与科学思维相结合解决问题。

1.选择情境

情境是探究的载体，一般涉及学科情境、生活情境、学术情境，不同类型的情境考查侧重点和教育价值不同，都需以真实为前提，杜撰或想当然的情境不仅违背科学精神，也容易出现科学性错误。与学生现实生活密切联系的生活情境，例如发酵食品制作、食品保存、植物生长、动物行为等，对于引导学生观察生活、学以致用是很有价值的，这类素材有赖于日常对实践证据、文献依据的搜集，作为试题情境考查学生提出问题、设计实验的能力。学术情境指利用科技文献作为试题情境，其真实、新颖特征有利于规避“题海战术”，提高考查科学探究的有效性，也是近年来中考科学探究类试题重点方向。正确理解文献中的科学实验，并根据初中学生认知水平进行合理简化，是命制该类试题的关键。

2.问题和假设

只有在具体情境中才能有效考查学生提出科学的、合理的探究性问题的能力，其中确定研究的变量是提出问题的关键，学生应能识别情境中的探究性问题，并有依据地作出假设，假设应体现研究的变量引起的因果关系。

【例1】将等量a 细菌接种到已消毒的培养基上，培养24 小时，具体操作和结果如下表。该实验研究的问题是_____。

【例2】小红发现在水、温、氧气条件适宜时，绿豆种子在不透光橱柜里会萌发，提出“绿豆种子萌发是否需要光”的疑问。请针对该问题作出合理的假设：____。

例1 属于逆向设问，要求学生根据实验设计和结果反推研究问题，学生应通过观察表格信息，判断实验变量是温度，实验要解决的问题是找到适宜细菌a生长的温度。例2 中，学生如果按照“套路”答题，将问题直接改为陈述句，回答“绿豆种子萌发需要光”，这个答案并不合理，因为它忽略了合理假设必须依据一定的知识、经验或事实的原则。对问题和假设的考查有更多灵活的视角，比如例1 可转化为设问“该实验研究的目的是？”通过灵活设问避免学生靠“套路”作答，实现有效考查。

在真实生活或科学研究中，能抓住关键变量提出值得探究的问题，并且确定正确的假设方向是非常重要的，这是研究获得成功的前提。教师在教学中应有必要的示范，示范如何在观察的基础上，抓住关键要素，准确把握事物之间的联系，指导学生答题关键是变量明确具体、表述完整规范，而不是机械的“套路”。

3.设计和实施

科学探究中理解、运用实验原则是关键。学生要记住科学探究应该遵循科学性、单一变量、平行重复等原则并不难，关键是在新情境中能否灵活应用原则、结合生物学知识和思想方法来分析和解决问题，这是纸笔测试中应着力考查的内容。具体可考查学生是否真正理解科学探究应正确关联的科学概念、恰当的材料和手段，是否真正理解对照实验，如何控制单一变量，如何控制无关变量相同且适宜，是否设计重复实验提升实验结果的可信度等等，其中，识别和控制实验变量、观察或监测观察指标，是区分探究能力的关键点之一。

【例3】一组针对实验设计和实施的设问举例

（1）探究大豆种子萌发所需的环境条件，……各装置的设置及实验结果如下表（空出实验组或对照组的部分条件）……表格中的①②对应的环境条件应设置为▲。

（2）题干呈现设计方案……要探究“万寿菊的花提取液对褐孢霉是否有抑制作用？”应选用▲组和▲组作为对照实验。

（3）在该实验基础上，研究小组打算进一步研究光对根提取液实验效果的影响，他们应该再补充一组实验，其设计应与▲组相同，并置于▲环境中培养。

（4）要进一步比较入侵植物马缨丹和薇甘菊的触杀效果，保持上述实验步骤③-⑥不变，请设计步骤①和②：①▲；②▲。

（5）在相同的测试箱中，测定不同光照强度时植株的光合作用强度。……测试箱中需要控制的无关变量，除植株长势外，还应有▲。

（6）为提高温室番茄产量，某研究者据图分析，提出“每日增加光照4 小时”的建议，写出该建议的合理与局限之处。

（7）为探究光照强度对光合作用速率的影响，用调节白炽灯与植物的距离来控制变量，这样做是否合理？请简述理由：▲。

（8）对植物进行长期遮光处理后发现叶片气孔数目变少、直径变小，为探究这种变化是否能遗传，请写出实验设计思路：▲。

设计和实施的测试重点，已逐渐从具体步骤描述转向思路设计，更加直接聚焦于科学思维考查，一定程度规避了机械背记和套用。针对初中学生的认知水平和表达能力可选择多样的考查形式，如给定变量，要求补充关键步骤形成对照实验（例3-（1））；给定一组实验的条件，要求根据单一变量原则设计另一组（例3-（2）（3）（4））；给定研究的变量（自变量），要求分析确定或控制实施中可能的无关变量（例3-（5））；给定实验方案，要求根据科学探究原则，找出方案中的不足或精妙处，或要求对结果进行预判，分析方案的合理和局限性，并进行修正（例3-（6）（7））；给定实验目的，要求写出设计思路（例3-（8））等。通过情境的新颖度、条件的隐蔽性、设问的开放度和表达要求等进行变式设计，在科学探究理解水平、思维的灵活性、严谨性、创新性等加大区分度。

4.结果和结论

解释证据并基于证据推测结论是科学探究类纸笔测试的高频设问点，体现生物学基于科学实证的学科本质。设问视角主要有两个方向：一是分析和解释结果、二是根据结果推出结论。常以实验现象图文描述、实验数据图、数据表来呈现实验结果，要求学生分析实验变量与观测指标的因果关系，提炼现象、数据变化的规律性，结合生物学概念原理对实验结果进行解释、推断等，考查学生获取和甄别信息，结合生物学原理进行科学解释、逻辑推理并提炼和表达结论等科学探究能力。这类试题的命制往往基于学术情境，需要命题者深入挖掘实验数据图表中需要学生归纳推理、溯因推理等考查点。实验结果和结论的考查还可挖掘更多灵活的视角，如多图表关联设问，要求学生先理顺不同实验因素之间的关系，从中甄选答题信息；逆向设问，要求学生通过分析结果反推实验问题和设计思路；又如应用性拓展设问，要求学生将实验证据、结论应用于解释和解决生活、生产实际问题。

【例4】2018 年福建生物中考第34 题（图1）以四条曲线呈现实验结果，第（3）题要求回答“分析曲线，随炮制时间增加，亚硝酸盐含量变化趋势均表现为▲”；第（4）题要求回答“分析比较四条曲线亚硝酸盐含量最大值，不同浓度食醋对泡白菜亚硝酸盐含量的影响是▲”。两道题分别从横向观察和纵向比较设问，考查学生能否获取正确的信息，推理能否基于证据、逻辑是否清晰合理严密。学生面对四条曲线，首先要分析设问方向，甄别解决问题应选择的有效证据，证据选择错误可能答非所问。

图1 添加不同浓度食醋的泡白菜种硝酸盐含量的变化

初中生物学科学探究类试题中，有不少题目虽然以生物学实验为背景，但通过分析结果信息可直接提炼结论，不需关联生物学知识，因此考查点单纯落在科学探究技能和科学思维。笔者认为这并不是理想试题。包容性好的科学探究题，应需要关联生物学概念、原理解决问题，即需要寻求相应的生物学概念及原理进而进行溯因推理。

【例5】以研究紫叶芥菜与绿叶芥菜光合作用的差异为背景，要求学生根据实验结果（图2），回答：（3）光照强度高于B 点时，栽培▲芥菜产量较高；低于该强度时，▲芥菜生长较好；（4）光照强度超过A 点（曲线与横坐标轴的交点），研究人员测得密闭测试箱中二氧化碳的量开始下降，原因是▲；（5）据图，从光照强度和光合作用强度关系说明：其他条件适宜时，无法采用不断增加光照强度的措施来提高芥菜产量：▲。第（3）（5）题定位于分析结果推断结论，但没有直接问结论，而是将实验证据运用于分析生产实际，考查学生迁移证据的能力；第（4）题定位于解释结果，考查学生结合生物学原理分析、解释实验现象的能力。并从分析、表达难度上设计了递增梯度。

图2 不同光照强度紫叶芥菜和绿色紫叶芥菜单株光合作用强度

【例6】一组针对实验结果和结论的设问举例

（1）对照分析表1 和表2，对洋桔梗营养器官生长影响最显著的是▲肥。在保持氮肥0.4 g/L、钾肥0.3g/L 的情况下，促进洋桔梗开花的磷肥最适用量是▲g/L。

（2）……该实验可用于论证的观点是▲；实验结果支持该观点吗?▲

（3）兴趣小组建议用2.0g/mL 薇甘菊提取液触杀非洲大蜗牛。请根据实验结果解释该建议的合理性：▲。

（4）……小明根据数据判断“两种因素共同作用能提高玉米产量”，请分析该判断的合理和不足，并修正不足之处。

在这组设问举例中，第（1）题要求多表关联分析，第（2）题要求逆向推理解释，第（3）（4）题则属于应用性拓展设问，要求学生迁移证据解释实际问题。

【例7】2020 年福建生物中考第34 题

题干中先给出了生产实践中的现象“在种植两个品种的扁豆时发现，大量的蚜虫寄生在绿色扁豆上，而相邻的紫色扁豆上仅有少量”，提出“蚜虫为什么不选择紫色扁豆呢？”给出“假设一：蚜虫对扁豆的选择与颜色的刺激有关”及其相关实验设计，第（1）题设问“由于黑暗环境中蚜虫不能接受颜色刺激，步骤③“将甲、乙装置分别放在两种实验环境中”，两种实验环境应分别是▲”；第（2）题设问“如果观察到甲装置中大多数蚜虫出现在绿色扁豆上，乙装置中大多数蚜虫出现在▲色扁豆上，则假设不成立。”

接着，补充题干信息“经分析发现紫色扁豆中含有物质A，而绿色扁豆中没有”，并提出“假设二：蚜虫对扁豆的选择与物质A 有关”，并以表格形式呈现相关实验设计，第（3）题就实验变量和实验步骤设问；第（4）题就实验结果设问。

从上述试题简述看，该题设问新颖，在基于现象提出问题、作出假设，基于问题和假设设计实验，根据实验结果论证假设合理性等方面，以及问题、假设、实证、结论等内在逻辑关系等方面做出积极的探索。第（1）题变换角度，巧妙地考查学生是否准确抓住实验变量、进行实验设计，通过设计明亮和黑暗的环境，实际上造成蚜虫对颜色的不同感知；第（2）题以“假设不成立”反推现象，考查学生是否真实理解实验设计原理，是否正确建立假设和现象的关系；第（3）题考查学生对实验变量和无关变量的理解；第（4）题给定实验结论，要求学生从实验结果中寻求证据，渗透了论证的思想。

总之，在提升科学探究纸笔测试的有效性方面，我们还有很多路要走。但是“考”不是目的，以考促学，真正提升学生科学探究能力才是硬道理。初中生物学教师在实施科学探究教学时，除了以教材科学探究活动为载体，还应积极创设新情境，带领学生在问题解决中学习，这对教师教学能力提出更高的要求。首先，教师要主动学习已有优秀教学和试题中的情境和设问，提升自身对科学探究的多角度、多层次理解；其次，从模仿开始，以激活思维、促进学生理解科学探究为出发点，拓展设问的灵活性和有效性；然后，采用支架式教学策略，为学生解决问题搭设必要的支架，并逐步撤离这些支架，直至学生能独立解决新情境下的科学探究问题；最后，指导学生形成问题解决图式，提升解决问题效率。学生分析和设计实验能力较难提高，和鲜于从成功案例中提炼问题解决经验策略有关。问题解决图式融合原理、策略、程序等的积极认知结构，教师可通过变式训练，指导学生比较、概括和应用问题解决图式，也有助于提升学生元认知水平。